Nitrogen Engineered Carbon Paramagnetic Centers for Spin-Mediated Photocatalysis

化学 光催化 电子顺磁共振 顺磁性 催化作用 杂原子 光化学 氮化碳 氮气 选择性 碳纤维 自旋极化 过氧化氢 阳离子聚合 单线态氧 制氢 氧气 自旋俘获 无机化学 自旋(空气动力学) 环加成 极化(电化学) 析氧 自旋态 多相催化 单重态
作者
Q G Zhang,Siming Wang,Wenyu Li,Wenjie guo,Wei Li,Haijun Yang,He Su,Jiaming Zhang,Xu Zha,Yongfa Zhu,Anthony K. Cheetham
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (5): 5682-5692
标识
DOI:10.1021/jacs.5c21075
摘要

Defective carbon-based photocatalysts provide a metal-free platform for solar-to-chemical energy conversion. However, the fundamental role of local spin states in governing the photocatalytic activity remains insufficiently understood. Here, we report that introducing nitrogen atoms adjacent to carbon paramagnetic centers in triazine-based nanosheets enables the precise modulation of intrinsic spin properties. Pulsed electron paramagnetic resonance and first-principles calculations reveal that nitrogen incorporation increases the fraction of σ-type spin species and enhances spin-up polarization at defect sites, thereby promoting carrier separation via parallel spin alignment. Consequently, the triazine-based spin catalyst exhibits excellent performance in both cationic radical [4 + 2] cycloaddition and energy conversion applications, achieving 99% conversion with 96% selectivity and activities for hydrogen peroxide formation (17.5 mmol g-1 h-1), oxygen evolution (3.64 mmol g-1 h-1), and hydrogen production (2.41 mmol g-1 h-1). This work establishes spin-state engineering via heteroatom proximity as an effective strategy for activating carbon-based materials, opening avenues for the rational design of spin-directed metal-free photocatalysts.
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